Drei-level-technologie versus Lc-filter
Frequenzumrichter mit Drei-leveltechnologie können Lc-filter ersetzen
Beim Betrieb von Elektromotoren werden zwischen Umrichter und Motor häufig Lc-filter eingesetzt. Lc-filter sind immer dann nötig, wenn die getaktete Umrichter-betriebsart zu einer unzulässig hohen Belastung der Motorisolation führt oder qualitativ schlechte Motorströme auftreten. Ein Frequenzumrichter mit Drei-level-technologie kann jedoch in beiden Fällen den Einsatz von Lc-filtern überflüssig machen.
Für die Isolation von Statorwicklungen gibt es einschlägige Leitfäden und Normen. So beschreibt die IEC 600034-25 sehr genau die Grenzwerte von auftretenden Spannungsspitzen und Spannungs-anstiegsgeschwindigkeiten, die an den Motorklemmen maximal auftreten sollten. Das grundsätzliche Problem beim Umrichter-betrieb mit der gängigen Puls-weiten-modulation (PWM) liegt darin, dass die vom Umrichter an den Klemmen ausgegebene Spannung in Rechteckform nicht in gleicher Form an den Motorklemmen ankommt. Abhängig vom physikalischen Aufbau der Gesamtanlage beziehungsweise Maschine und den verwendeten Motorleitungen können am Motor Spannungsspitzen von über 2.000 V auftreten. Insbesondere die Motorleitungslänge hat einen großen Einfluss auf die Spannungsspitzen – und zwar bereits ab rund fünf Metern Länge.
Spannungsspitzen schädigen Statorwicklungen
Hohe auftretende Spannungsspitzen belasten die Statorwicklungen enorm und können zu Isolationsdurchbrüchen führen, die die Wicklungen dauerhaft schädigen. Dies führt wiederum zu Kurzschlüssen zwischen den Wicklungen. Eine bleibende Schädigung kann innerhalb von Sekunden, aber auch erst nach Monaten auftreten. Lc-filter können diesen Effekt sicher verhindern. Wer sie einsetzt, muss jedoch mit zusätzlichen Kosten, erhöhtem Platzbedarf und Gewicht sowie Einbußen im Wirkungsgrad rechnen. Auch gilt es, Lc-filter vorab für die jeweilige Applikation auszulegen – das kostet Zeit und Flexibilität.
Zur Bewertung von Spannungsspitzen werden sowohl die maximal auftretende Spannungs-amplitude (Upeak), aber auch die dabei auftretende Spannungsanstiegsgeschwindigkeit
(tr) herangezogen. Heutige Standardumrichter im Leistungsbereich ab rund zwei kw werden in der Regel über das dreiphasige 400-Volt-netz versorgt und arbeiten mit einer Zwei-level-pwm. Moderne Halbleiterschalter erzeugen Spannungsspitzen am Motor, die nicht selten deutlich größer werden als 1.000 Volt. Somit wird das Kriterium der Spannungsanstiegs-geschwindigkeit immer wichtiger, wobei sich die Richtwerte häufig nicht einhalten lassen.
Folglich werden Lc-filter notwendig – sie sind aber nicht die einzige Option. Eine echte Alternative stellt die Umrichtertechnologie mit Drei-level-pwm dar. Die maximalen Spannungssprünge betragen nur die Hälfte der Zwei-level-technologie. Das führt in der Regel dazu, dass die am Motor zu messenden maximalen Spannungsimpulse unter 1.000 Volt liegen und damit auch die maximal erlaubte Spannungsanstiegs-geschwindigkeit eingehalten werden kann – sogar mit modernen Halbleitern. Damit werden Lc-filter überflüssig.
Qualität der Motorströme deutlich verbessern
Für Drehstrommotoren ist es äußerst wichtig, dass die Qualität der eingeprägten Motorströme sehr hoch ist. Alles, was von der
idealen Sinusform abweicht, erzeugt Verluste im Motor. Rund 90 Prozent der Verluste entstehen im Rotor und führen damit zu unerwünschten Erwärmungen. Der von der Sinusform abweichende Motorstromanteil wird durch den Umrichter mit seiner Pwm-arbeitsweise erzeugt und stellt sich als sogenannter Ripple-strom dar. Dieser überlagert den sinusförmigen Motorstrom. Der sich einstellende Ripple-strom ist abhängig von der Schaltfrequenz, der Umrichter-dc-spannung und vor allem von der Motorinduktivität.
Kleine Induktivitäten erzeugen große Ripple-ströme, was insbesondere bei schnell laufenden Synchronmotoren ungünstig ist, da diese – physikalisch bedingt – sehr kleine Induktivitäten aufweisen müssen. Die entstehende Rotorerwärmung kann extreme Auswirkungen auf die Rotorstabilität, die Permanentmagnete und die Lagerung haben. Die Probleme treten vor allem bei hohen Nenndrehzahlen des Motors auf. Um dies zu vermeiden, werden bei Standard-umrichtern mit Zwei-level-pwm und niedriger Schaltfrequenz häufig Lc-filter eingesetzt.
Erhöhung der Schaltfrequenz
Eine alternative Lösung besteht darin, die Schaltfrequenz für die PWM zu erhöhen. Wird sie verdoppelt, reduziert sich der Ripple-strom in der Regel um die Hälfte. Technisch wie wirtschaftlich stößt dies allerdings an Grenzen. Zum einen sind schnell schaltende Leistungstransistoren im höheren Spannungsbereich teurer. Aber auch die Schaltverluste in der Endstufe nehmen stark zu, was sich ungünstig auf den Wirkungsgrad und so auch den Kühlungsaufwand auswirkt. Außerdem reagieren nicht alle Motoren positiv auf eine Schaltfrequenzerhöhung. Baubedingt kommt es vor, dass eine Erhöhung der Schaltfrequenz nur sehr wenig Verbesserungen in den Motorverlusten bringt. Dies ist hauptsächlich dann der Fall, wenn es sich um Synchronmotoren handelt, in denen keine Segmentierung der Permanentmagnete vorliegt.
Alternativ besteht auch hier die Möglichkeit, die Drei-level-technologie einzusetzen. Dabei werden die Leistungshalbleiter der Endstufen technologiebedingt nur mit der Hälfte der Spannung beaufschlagt, wie sie bei der Zwei-level-technologie vorkommen. Somit ist es möglich, mit Leistungshalbleitern zu arbeiten, die für wesentlich geringere Spannungen ausgelegt sind und damit (technologiebedingt) schneller schalten. In der Endstufe entstehen so weniger Schaltverluste und die Schaltfrequenz lässt sich deutlich erhöhen. Gleichzeitig wird der Motor im Vergleich zur Zwei-level-technologie mit nur 50 Prozent der Spannungssprünge belastet.
Drei-level-technologie reduziert Verluste
Allein durch den Einsatz der Drei-leveltechnologie lassen sich die im Rotor entstehenden Verluste um rund 75 Prozent reduzieren. Nutzt man sowohl die Dreilevel-technologie als auch die Schaltfrequenzerhöhung, lassen sich die im Rotor entstehenden Verluste um bis zu 90 Prozent senken. Lc-filter werden dann häufig nicht benötigt.
Umrichter mit Drei-level-pwm eignen sich für viele Applikationen, um Lc-filter einzusparen. Lange Motorleitungen sind kein Hindernis und auch die Qualität des Motorstromes wird deutlich verbessert. Im Rotor entstehen weniger Verluste (Wärme), was insbesondere für schnelldrehende Motoren von Vorteil ist. Der Platzbedarf sowie das Gewicht der Gesamtlösung verringern sich und die Flexibilität in der Anwendung steigt.